面向過載系統(tǒng)的多用戶連接與檢測技術(shù)比較

陳 敏，王 萍

(海南大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，海南 ?？?570228)

面向過載系統(tǒng)的多用戶連接與檢測技術(shù)比較

陳 敏，王 萍

(海南大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，海南 ?？?570228)

針對過載系統(tǒng)中的多用戶調(diào)制與檢測技術(shù)進行分析和比較，首先主要分析和比較發(fā)送端多址技術(shù)和接收端檢測技術(shù)，并對其工作原理進行簡要介紹，最后分析其優(yōu)缺點.

過載系統(tǒng)； 多址接入； 多用戶檢測

多輸入多輸出(MIMO，Multiple Input Multiple Output)和正交頻分復(fù)用(OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing)作為第四代通信的基本技術(shù)，可以提高系統(tǒng)容量并獲得復(fù)用增益(或分集增益).而與傳統(tǒng)的MIMO技術(shù)相比，多用戶MIMO可以顯著提高吞吐量，尤其是在非對稱系統(tǒng)中，當(dāng)基站的天線數(shù)目超過每個終端的天線數(shù)目的情況.大多數(shù)情況都是假定在基站的接收天線數(shù)大于或等于所有用戶的發(fā)送天線總和，但并不一定是一個嚴(yán)格的限制，系統(tǒng)中可能出現(xiàn)大量的用戶(如繁忙的商業(yè)中心)，從而導(dǎo)致過載系統(tǒng).過載情況發(fā)生在用于發(fā)送獨立數(shù)據(jù)的發(fā)射機的時空自由度的數(shù)目超過了接收機的自由度的數(shù)目.在沒有擴頻的系統(tǒng)中，意味著從所有用戶終端發(fā)送的獨立數(shù)據(jù)流的總數(shù)超過基站接收天線的數(shù)目.過載系數(shù)為發(fā)送天線數(shù)K與接收天線數(shù)N之比，即K/N，過載的含義就是接收到的信號相關(guān)的矩陣是非滿秩，因此不能求逆.

上述過載含義不包括碼分多址(CDMA，Code Division Multiple Access)系統(tǒng)，其發(fā)射天線的數(shù)量通常都遠遠大于接收天線，由于擴頻的使用，導(dǎo)致頻譜的擴展通常是大于用戶的數(shù)量.在CDMA系統(tǒng)中，在接收機處可用的自由度數(shù)目隨擴頻比增加，因此發(fā)送天線的數(shù)目可以大于接收天線數(shù)目，用戶通過解擴進行分離，而不構(gòu)成過載系統(tǒng).因此，對于CDMA系統(tǒng)來說，其過載系統(tǒng)的定義就是當(dāng)使用擴頻后，頻譜的擴展小于用戶的數(shù)量.如果接收天線數(shù)為1(為了不失一般性，如果沒有具體說明，接收天線都默認(rèn)為1)，過載系數(shù)為用戶數(shù)K與擴頻增益N之比，也是K/N.

對于多用戶檢測(MUD，Multiuser Detection)，研究人員已經(jīng)提出很多種檢測方法，可以歸類為線性和非線性2種.線性代表性算法：迫零法(ZF，Zero Forcing)和最小均方誤差(MMSE，Minimum Mean Square Error)；非線性包含了最優(yōu)檢測算法：最大似然(ML，Maximum Likelihood)和最大后驗概率(MAP，Maximum a Posteriori)及其推導(dǎo).對于過載系統(tǒng)來說，由于信號相關(guān)矩陣非滿秩，線性算法雖然復(fù)雜度低卻無法在此情況下獲得較好的性能.最優(yōu)算法雖然性能好，但其復(fù)雜度卻隨用戶數(shù)量K呈指數(shù)增長.其他非線性算法如串行干擾消除(SIC，Success Interference Cancellation)、并行干擾消除(PIC，Parallel Interference Cancellation)和分層空時(BLAST，Bell Laboratories Layered Space-Time)算法直接用在過載系統(tǒng)結(jié)果也不盡人意.在5G時代，為了追求更高的頻譜效率、更快的數(shù)據(jù)速率和更大的信道容量，支持海量設(shè)備連接，對于過載系統(tǒng)的研究非常有必要.

從3G的CDMA到5G的非正交多址接入(NOMA，Non-Orthogonal Multiple Access)，實現(xiàn)系統(tǒng)過載的技術(shù)方案大致可以分為2類：針對發(fā)送端的多址接入技術(shù)和針對接收端的檢測技術(shù).

1 發(fā)送端多址接入技術(shù)

通過在發(fā)送端的調(diào)制技術(shù)使多個用戶在相同時頻資源上疊加發(fā)送實現(xiàn)了系統(tǒng)的過載，且為接收端的檢測提供依據(jù).針對發(fā)送端的多址接入技術(shù)可以從碼域調(diào)制、功率域調(diào)制、和多域聯(lián)合調(diào)制等方面進行劃分.

1.1碼域調(diào)制碼域調(diào)制在CDMA系統(tǒng)中，主要利用擴頻序列或擴展簽名使信號頻譜擴展以減小符號間干擾(ISI，Inter Symbol interference)或多址干擾(MAI，Multiple Access Interference)，接收端利用最優(yōu)化檢測通過解擴實現(xiàn)多用戶的識別檢測.

1.1.1 最佳擴頻序列在符號同步非編碼CDMA系統(tǒng)中，最優(yōu)序列為正交，可以通過Gram-Schmidt算法來構(gòu)建.但對于過載情況，即用戶數(shù)大于擴頻增益時，此算法沒有辦法得到正交序列.Welch[1]提出了一個邊界等式，即Welch-bound-equality(WBE)，滿足此等式即可獲得最佳序列[2]，因為其最大限度地減小了MAI的方差.

另一種可以處理過載情況的擴頻技術(shù)是正交子集層[3]，通過由正交集和不完全正交集共同構(gòu)成最佳簽名集，此簽名集是準(zhǔn)可擴展的.另外，也可以通過利用反饋共同優(yōu)化序列和接收器來實現(xiàn)擴展序列的優(yōu)化[4].

1.1.2 交織多址接入交織多址接入[5](IDMA，Interleave Division Multiple Access)與CDMA不同，不是通過不同的擴頻碼進行用戶識別，而是給每個用戶分配一個獨特的交織器以此來區(qū)分用戶，無需使用擴頻碼.結(jié)合低碼率的信道編碼，接收端可以使用低復(fù)雜度的多用戶檢測技術(shù)—基本信號估計[5](ESE，Elementary Signal Estimator).IDMA中使用的低碼率信道編碼，是由卷積碼和重復(fù)碼構(gòu)成，接收機的性能會依賴于所使用的卷積碼，其中重復(fù)碼的重復(fù)率為N，則過載率為K/N.重復(fù)碼的使用是為了區(qū)分用戶而給信號增加冗余但不提供任何編碼增益.

1.1.3 低密度擴頻序列傳統(tǒng)的CDMA擴頻序列元素全都是非零的，接收到的信號的每個采樣都是所有用戶的信號之和，即每個用戶都受到所有其他用戶的干擾.如果序列的互相關(guān)矩陣遵循一定的格式，最優(yōu)化檢測雖然可以降低一些復(fù)雜度(如樹檢測器[3])，但與線性檢測器相比復(fù)雜度還是非常高.

與最優(yōu)化擴頻序列不同，低密度擴頻序列[6](LDS，Low Density Signature)允許零元素存在，使接收端可以利用碼字的稀疏性采用較低復(fù)雜度的消息傳遞算法[6](MPA，Message Passing Algorithm)或SIC接收機進行多用戶識別檢測.

LDS的設(shè)計思想就是改變每個用戶所受到的干擾，在LDS指標(biāo)矩陣(N×K)中，其縱列的非零元素個數(shù)dv對應(yīng)的是第k個用戶發(fā)送的信號重復(fù)次數(shù)，其橫排的非零元素個數(shù)dc對應(yīng)的是第n個接收端中所包含的用戶數(shù).假設(shè)K=16，N=12，那么只要dv=3，dc=4就可以實現(xiàn)133%的過載.接收端使用的MPA算法，其復(fù)雜度是隨dv呈指數(shù)增長，而不是K，與MAP相比復(fù)雜度大大降低.

1.2功率域調(diào)制功率域非正交多址接入[7，20](PNOMA，Power-domain Non-Orthogonal Multiple Access)是目前業(yè)界提出的5G網(wǎng)絡(luò)非正交多址接入技術(shù)的一種，即通過功率域?qū)Χ鄠€用戶信號進行線性疊加以提升系統(tǒng)的頻譜效率和用戶接入能力的技術(shù).PNOMA技術(shù)是根據(jù)信道條件，對每個用戶賦予不同強度的發(fā)射功率，而接收端則是利用SIC接收機先解調(diào)發(fā)射功率最強的信號，將其從接收信號中減去后，再解調(diào)發(fā)射功率第二強的信號，如此逐次檢測出所有的用戶.

1.3多域聯(lián)合調(diào)制

1.3.1 稀疏碼多址接入面向5G網(wǎng)絡(luò)所提的稀疏碼分多址接入[8，16](SCMA，Sparse Code Multiple Access)就是利用LDS擴頻技術(shù)和多維調(diào)制技術(shù)為用戶選擇最優(yōu)的碼本集合.每個用戶對應(yīng)于不同的碼本，在發(fā)送端進行非正交疊加后傳輸，接收端則利用碼本特性和MPA進行相對較低復(fù)雜度的多用戶的檢測識別.

1.3.2 多用戶共享接入發(fā)送端使用低互相關(guān)的復(fù)數(shù)域多元碼序列進行符號擴展，并在接收端使用SIC接收機進行多用戶檢測的是5G非正交多址接入技術(shù)中的多用戶共享接入[9，18](MUSA，Multi-User Shared Access)技術(shù).在MUSA中，每個用戶會隨機分配到不同的復(fù)數(shù)域多元碼序列，接收機利用SIC技術(shù)來進行用戶分離，因此擴展序列會直接影響MUSA的性能和接收機復(fù)雜度[9].

1.3.3 圖樣分割多址接入圖樣分割多址接入[10](PDMA，Pattern Division Multiple Access)是在碼域、空間域和功率域上聯(lián)合調(diào)制的技術(shù).在發(fā)送端增加了圖樣映射模塊，利用特征圖樣進行區(qū)分用戶，接收端增加圖樣檢測模塊使用SIC接收機實現(xiàn)多用戶檢測.

2 接收端檢測技術(shù)

不管是過載系統(tǒng)還是非過載系統(tǒng)，發(fā)送端如何調(diào)制，最優(yōu)檢測如ML，MAP都可以獲得極佳的性能，其復(fù)雜度與用戶數(shù)量K呈指數(shù)關(guān)系.在面對海量用戶接入的5G通信，最優(yōu)檢測由于復(fù)雜度太高而不適合，因此需要研究使用較低復(fù)雜度的檢測技術(shù).

2.1串行干擾消除SIC接收機首先檢測最強的用戶，然后重建該用戶的信號，并從接收信號中減去此信號.若此用戶的信號能被相對準(zhǔn)確地減去，那么所得到的是剩余用戶的信號.依次重復(fù)上述的過程，直到檢測出最后一個用戶.無論是上行還是下行，基于SIC的多用戶檢測理論上都能夠達到香農(nóng)容量的極限[14].但是只有當(dāng)每個用戶信號之間有著明顯的功率差，SIC的性能較好.如果用戶的功率電平大致相等，SIC的性能較差.由于誤差傳播的關(guān)系，SIC的性能高度依賴于第一次檢測結(jié)果的反饋.應(yīng)第一次反饋的結(jié)果比較可靠，那么其最終性能就好；若第一次反饋結(jié)果不可靠，則由于誤差的傳播最終性能糟糕.同時，串行檢測對于海量用戶來說，會存在一個相對較長的處理延遲.因此，對于傳統(tǒng)的多址接入技術(shù)，使用SIC接收機一般性能不佳，但對于在功率域上有調(diào)控的PNOMA，MUSA和PDMA，可以使用SIC接收機進行多用戶檢測并獲得相對較好的性能.

2.2基本信號估計ESE是基于IDMA提出的一種比特級檢測算法，能夠較好地識別多用戶信號.由于針對每個用戶都有隨機交織器的使用，使得相鄰比特近似于非相關(guān)，ESE采用高斯近似的處理方法，將干擾信號與噪聲信號之和看作是隨機變量，并針對每一個比特進行逐比特的檢測.基于IDMA的過載系統(tǒng)，其過載系數(shù)是用戶數(shù)與重復(fù)碼的碼率之比.使用ESE能夠較好地檢測出所有用戶的信號，其過載系數(shù)在1.75左右[11]，比迭代干擾檢測(IIC，Iterative Interference Cancellation)技術(shù)所能承載的用戶數(shù)要小的多.

2.3迭代干擾消除IIC[12]是一種迭代循環(huán)檢測算法，首先利用最大比合并(MRC，Maximum Ratio Combining)顯示了每個用戶的干擾重建，并在下一次迭代中用于消除估計的干擾.對數(shù)似然比(LLR，Log-likelihood Ratio)轉(zhuǎn)換器，利用信道條件計算一個縮放系數(shù)用來調(diào)整MRC輸出的大小.轉(zhuǎn)換器的輸出提供給解碼器，輸出LLR后轉(zhuǎn)為軟估計值.通過PIC檢測器，用軟估計值重構(gòu)干擾信號，再反饋到MRC處消除，進入第二次迭代檢測，MRC的輸出不斷更新，LLR的值也因此不斷更新，通過多次迭代后最終輸出可靠的檢測結(jié)果.IIC的復(fù)雜度與ESE相當(dāng)，性能比ESE好的多，幾乎可以接近最優(yōu)檢測，但不能像最優(yōu)檢測一樣，適用于所有場景.如果發(fā)送端沒有使用IDMA，IIC會出現(xiàn)誤差層[12].

2.4分組多用戶檢測分組多用戶檢測[13](GMUD，Group Multiuser Detection)是一種改進的線性檢測器，也稱為線性共軛檢測器或?qū)捑€性檢測器，包括分組偽解相關(guān)器和分組MMSE檢測器.分組偽解相關(guān)器專門用于在期望信號和干擾信號子空間線性無關(guān)時分組解相關(guān)，是關(guān)于分組解相關(guān)器的正確擴展，也是分組MMSE檢測器在低噪聲情況下的極限形式.在低噪聲情況，分組MMSE檢測器所需的信號與干擾信號子空間的交集維數(shù)大于或等于零，不論信號空間的幾何形狀如何，分組MMSE檢測器都會收斂到分組偽解相關(guān)器形式.分組多用戶檢測利用判決反饋機制，在某種程度上可以被用于過載系統(tǒng)中，當(dāng)且僅當(dāng)信號是線性無關(guān)的，分組檢測器收斂.

2.5消息傳遞算法消息傳遞算法[6，17](MPA，Message Passing Algorithms)通常被LDPC碼用來作為譯碼算法，是一種基于因子圖的迭代譯碼算法.在每次迭代時，節(jié)點的置信消息需要在變量節(jié)點和校驗節(jié)點之間傳遞更新，直到預(yù)設(shè)的最大迭代次數(shù).整個譯碼過程就是因子圖去邊的過程，由較少的校驗節(jié)點還原出較多的信息節(jié)點，算法的線性復(fù)雜度由因子圖的稀疏性保證.

3 實現(xiàn)系統(tǒng)過載方案比較

對于不同的系統(tǒng)過載方案，包括CDMA系統(tǒng)、PNOMA系統(tǒng)、IDMA系統(tǒng)、SCMA系統(tǒng)、MUSA系統(tǒng)和PDMA系統(tǒng)，進行了比較.針對5G網(wǎng)絡(luò)面臨海量用戶接入所提出的非正交多址接入方案，其主要優(yōu)點就是因為非正交接入而提高了頻譜利用率和吞吐量，但其缺點也較明顯，如表1所示.通信系統(tǒng)的性能與其復(fù)雜度一直是一個權(quán)衡問題，性能好，相對的復(fù)雜度就高.

表1 實現(xiàn)系統(tǒng)海量接入(過載)的方案性能比較

表1給出了上行的IDMA系統(tǒng)與MUSA系統(tǒng)、PDMA系統(tǒng)和SCMA系統(tǒng)的性能比較.從表1可知，性能較好而復(fù)雜度又較低的是IDMA系統(tǒng)利用IIC進行多用戶檢測識別.PNOMA系統(tǒng)在上行時需要多用戶調(diào)度來提高其性能[7]，因此不做比較.

圖1 相同過載系數(shù)(1.5)下的MUSA，PDMA，SCMA，IDMA的BER性能比較

假設(shè)都是瑞利信道，使用QPSK調(diào)制，系統(tǒng)需要實現(xiàn)150%的過載率，即過載系數(shù)為1.5.對于MUSA，PDMA和SCMA，傳輸碼元數(shù)為6，正交資源數(shù)為4(發(fā)送天線6，接收天線4).對于IDMA系統(tǒng)，發(fā)送天線為6，接收天線為1，實現(xiàn)IDMA的重復(fù)碼率為1/4，所以最終的過載系數(shù)也為1.5.MUSA的擴頻序列是由偽隨機序列產(chǎn)生，其實部和虛部都來自{-1，0，1}；PDMA中非正交的圖樣設(shè)計參考文獻[15]；SCMA的碼本設(shè)計參考文獻[8]；IDMA系統(tǒng)的仿真參照文獻[11].如圖1所示，在相同的過載系數(shù)下，單從比特誤碼率(BER，Bit Error Rate)比較，性能最好的是IDMA-IIC，接下來依次是IDMA-ESE，SCMA，PDMA，MUSA.此處只是粗略地比較，評判一個系數(shù)是否優(yōu)劣是要從吞吐量、頻譜利用率、運行速度、BER性能和硬件實現(xiàn)復(fù)雜度等等許多方面考慮，因此接下來的工作目標(biāo)是對4個系統(tǒng)方案的性能進行更為詳細(xì)的比較.

4 小 結(jié)

針對系統(tǒng)過載方案進行了分析與比較，在碼域?qū)崿F(xiàn)多址接入，并利用擴展序列區(qū)分用戶有CDMA和IDMA系統(tǒng)，其中IDMA-IIC性能可以接近最佳性能且系統(tǒng)復(fù)雜度較低.PNOMA，SCMA，MUSA和PDMA4種非正交接入都可以提高頻譜效率，其中PNOMA技術(shù)簡單，SCMA由于碼本設(shè)計上的靈活性和可適用場景的多樣性應(yīng)用潛力很大，MUSA和PDMA檢測技術(shù)簡單，但要實現(xiàn)海量用戶接入，其相應(yīng)的低互相關(guān)復(fù)數(shù)多元碼序列和特征圖樣需要不斷優(yōu)化設(shè)計.

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ComparisonofMultiuserConnectionandDetectionforOverloadedSystems

Chen Min, Wang Ping

(College of Information Science and Technology, Hainan University, Haikou 570228, China)

In the report, the multiuser connection and detection technologies for overloaded system were studied and compared. The transmitter multiple access and receiver detection technologies were analyzed and compared. The principles of these technologies were introduced, and their advantages and disadvantages were analyzed.

overloaded systems; Multiple Access; Multiuser Detection

2017-06-13

海南省自然科學(xué)基金(20166215)；國家自然科學(xué)基金(61501151，61661018)；海南省教育廳高等學(xué)?？茖W(xué)研究(Hnky2016ZD-5)；海南省重點研發(fā)計劃(ZDYF2016010)

陳敏(1987-)，男，福建莆田人，講師，博士，研究方向：信道估計和信號檢測，E-mail：chenmin@hainu.edu.cn

王萍(1979-)，女，陜西大荔人，實驗師，碩士，研究方向：電子電路和移動通信，E-mail：bobyhd@163.com

1004-1729(2017)04-0316-06

TN 911.23

ADOl

10.15886/j.cnki.hdxbzkb.2017.0049